中科大化学原理论文-pb12005023

《化学原理C》课程论文论文题目：能源新星可燃冰学院：工程科学学院系别：近代力学系年级： 2012级学号： PB12005023姓名：王启完成日期：2012年8月2日可燃冰是天然气水合物的俗称，是公认的21世纪替代能源和清洁能源，开发利用潜力巨大，我国已将其纳入科技重大项目973计划，并已成功获得了天然气水合物的岩心样品。

本文将对其性质、形成条件、储量、分布等做一简要介绍，并重点介绍可燃冰的开采和中国可燃冰的开发现状以及可燃冰的应用前景。

关键词：可燃冰清洁能源开采方法开发现状应用前景AbstractFlammable ice is commonly known as gas hydrates，which is regarded as an alternative and clean energy in the 21st century，with a huge potential for development and utilization，China has brought it into national key scientific and technological program ( 973 Program) ，and has successfully obtained a core sample of gas hydrate．This paper will give a brief introduction to its properties, the conditions of its formation , its reserves,its distribution and so on, and this paper will mainly introduce the exploitation of flammable ice and China’s present development situation of flammable ice and the prospect for application of flammable ice.Key words:flammable ice clean energy the method of exploitation the presentsituation of exploitation the prospect for application1 概述 (3)2 天然气水合物的构成和性质 (3)3 可燃冰的形成条件及其分布 (4)4 可燃冰的储量 (5)5 可燃冰的开采方法 (5)6 中国可燃冰的开发现状 (9)7 可燃冰应用前景 (10)8 结论 (10)参考文献 (10)能源新星可燃冰王启（中国科学技术大学近代力学系合肥安徽230027）1 概述早在20世纪30年代，工程技术人员就发现，一些天然气输气管道经常会被奇怪的冰块堵塞，化学家对这些冰块进行了分析鉴定，发现这些冰块是甲烷等气体被关在冰晶体中形成的。

当时这种甲烷水合物被认为是一种制造麻烦的东西，而不是一种新型的能源。

知道20世纪60年代，前苏联科学家才意识到，在自然界也许存在着这种水合物，并预见到它作为一种可利用的新能源的前景。

1972年，在开发北极圈的麦雅哈天然气田时，人类第一次发现了这种以矿藏形式存在的天然气水合物。

之后，美国科学家在地震研究中证实，在海底600米深处存在这种水合物。

“可燃冰”的学名为天然气水合物，它是天然气和水在特定条件下形成的一种透明的冰状晶体，又称“气冰”、“固体瓦斯”，是一种清洁高效、使用方便的新能源，被认为是21世纪能为人类提供电力的燃料。

2 天然气水合物的构成和性质天然气水合物与天然气的成分相近，且更为纯净。

它的晶格主要由水分子构成，，在不同的低温高压条件下水分子的结晶形成不同类型的多面体笼形结构。

天然气水合物的笼形包合物结构是1936年由前苏联科学院院士尼基丁首次提出的，并沿用至今。

在天然气水合物的笼形结构中普遍存在空腔和孔穴，水分子（主体分子）形成空间点阵结构，气体分子（客体分子）则填充于点阵的孔穴中，气体和水之间没有化学计量关系。

一般水合物的化学表示为M nH2O，式中M表示甲烷等气体，n为谁分子数。

天然气水合物中，形成点阵的水分子之间靠较强的氢键结合，而气体分子和水分子之间的作用力为较弱的范德华力。

迄今为止，已发现的的天然气水合物结构类型有三种，即I型、II型和III型。

I型的天然气水合物为立方晶体结构，仅能容纳甲烷和乙烯这两种小分子烃以及N2、CO2、H2S等分子；II型结构的水合物为菱形晶体结构，除容纳甲烷、乙烷等小分子外，较大的“笼子”还能容纳丙烷及异丁烷等烃类；H型分子的水合物为六方晶体结构，除容纳II型结构水合物所能容纳的烃类分子外，其更大的“笼子”甚至可以容纳直径超过异丁烷的分子，如异戊烷和其他直径在0.75~0.86纳米之间的分子。

H型水合物早期仅存在于实验室中，1993年才在墨西哥湾发现其天然产物。

天然气水合物的能量密度高，因为它具有很强的吸附气体的能力，期能量密度是煤层、黑色页岩的10倍；天然气水合物燃烧值高，1m3天然气水合物燃烧释放的能量相当于164m3天然气。

另外，天然气水合物是一种清洁无污染的能源，燃烧后几乎不产生废弃物，SO2排放量比原油或煤低两个数量级。

但是，由于甲烷的温室效应比CO2大21倍，是一种对环境破坏作用最大的温室气体，如若不慎，使埋藏在海底的甲烷气体大量释放，将可能引起全球灾难性大气变暖。

因此，从某些方面讲，海底甲烷也是一种危险的燃料。

3 可燃冰的形成条件及其分布天然气水合物的形成有三个基本条件。

首先温度不能太高。

第二压力要够，但不需太大。

零度时，30个大气压以上它就可能生成。

第三，地底要有气源。

据估计陆地上20．7％和大洋底90％的地区，具有形成天然气水合物的有利条件。

绝大部分的天然气水合物分布在海洋里，其资源量是陆地上的100倍以上。

天然气水合物中的甲烷大多数是当地生物活动产生的。

海底的有机物沉淀都在几千几万年甚至更久远，死的鱼虾、藻类体内都含有碳，经过生物转化，可形成充足的甲烷气源。

另外，海底的地层是多孔介质，在温度、压力和气源三项条件都具备的情况下，便会在介质的空隙中生成甲烷水合物的晶体。

天然气水合物受其特殊的性质和形成时所需条件（低温、高压等）的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。

一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300－500m以下（由温度决定），主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状出现。

这些地点的压力和温度条件使天然气水合物的结构保持稳定。

世界上海底天然气水合物已发现的主要分布区是大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等，东太平洋海域的中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等，印度洋的阿曼海湾，南极的罗斯海和威德尔海，北极的巴伦支海和波弗特海，以及大陆内的黑海与里海等。

从大地构造角度来讲，天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡、被动大陆边缘大陆坡、海山、内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内。

这些地区的构造环境由于具有形成天然气水合物所需的充足的物质来源（如沉积物中的有机质、地壳深处和油气田渗出的碳氢气体），具备流体运移的条件（如增生锲和逆掩断层的存在及其所引起的构造挤压，快速沉积所引起的超常压实，油气田的破坏所引起的气体逸散等），以及具备天然气水合物形成的低温、高压环境（温度0－10℃以下，压力10Mpa以上），而成为天然气水合物分布和富集的主要场所。

4 可燃冰的储量目前，世界上有79 个国家和地区都发现了天然气水合物气藏。

各国科学家对全球天然气水合物资源量较为一致的评价为2 ×1016m3，是剩余天然气储量( 156 ×1014m3 ) 的128 倍。

据第28 届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量存在的天然气水合物，可满足人类1 000 年的能源需要。

同时，我国对可燃冰的重大基础研究也已全面展开，主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。

仅南海北部陆坡的可燃冰资源量就达185 亿t 油当量，相当于南海深水勘探已探明的油气地质储备的6 倍。

并且已经在南海部神狐海域获取了天然气水合物的岩心样品，从而成为继美国、日本印度之后第4 个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。

标志着我国天然气水合物调查研究水平一举步入了世界先进行列，以下是南海有利的天然气水合物勘探远景区块及范围，见表1。

表1 南海有利的天然气水合物勘探远景区块及范围104 km25由于可燃冰非常不稳定，在常温和常压环境下极易分解，所产生的温室效应要比二氧化碳高10 ～ 20倍。

据测算，在可燃冰中固化的甲烷总量相当于大气中甲烷数量的3 000 倍。

一旦沉睡中的可燃冰矿藏受到扰动，包括人为的开采和自然的破坏，都可能导致甲烷气体大量逃逸到大气中，从而导致无法想象的后果。

对此，科学家们表示出了担忧: 对于可燃冰矿藏开采的破坏，可能导致甲烷气体的大量泄漏，释放到大气层中，造成海啸、海底滑坡、海水毒化、全球气候变暖等灾害。

所以目前对可燃冰的开采仍处于试验阶段，主要的开采方法有加热法、减压法、添加化学试剂法、CO2置换法和综合法。

从天然气水合物的相平衡( 图1) 角度可以看出，升高水合物的环境温度、降低水合物所处的压力、通过化学方法改变相平衡曲线等都可以实现天然气水合物的分解。

图1 天然气水合物分解机理5. 1 加热法加热法又称热激发法，是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物地层，进行电磁加热和微波加热，促使温度上升、水合物分解(图2) 。

该法更适用于对水合物层比较密集的水合物藏进行开采，如果水合物藏中各水合物层之间存在很厚的夹层，则不宜用此方法进行开采。

该方法的主要缺点是会造成大量的热损失，效率很低，甲烷蒸汽不好收集。

特别是在永久冻土带，即使利用绝热管道，永冻层也会降低传递给储层的有效热量。

所以，减小热量损失、合理布设管道并高效收集甲烷蒸汽是急于解决的问题。

图2 加热法开采原理图5. 2 减压法降压法是通过降低压力而使天然气水合物稳定的相平衡曲线移动，从而达到促使水合物分解的目的。

一般是在水合物层之下的游离气聚集层中降低天然气压力或形成一个天然气空腔( 可由热激发或化学试剂作用人为形成) ，使与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水(图3) 。